MÜHENDİSLİK MALZEMELERİ ve İMALAT TEKNOLOJİSİ Mehmet DEMİRKOL

Mühendislerin ana görevi insanların refah düzeyini geliştirmektir. Bu görevlerini değişik araç/gereç ve donanımları tasarlayarak yaparlar. Tasarlanan bu araç/gereç ve donanımlar imal edilerek insanlığın kullanımına sunulur. Bunları imal ederken “MÜHENDİSLİK MALZEME” lerinden yararlanılır. Bu tür geliştirilen araç/gereç ve donanımların tasarımında malzeme seçiminin özel bir önemi vardır. Tasarım ne kadar iyi olursa olsun seçilerek kullanılan malzemenin yetersiz özelliklere sahip olması durumunda imal edilen araç/gereç ve donanımdan beklenen performans elde edilemez.

Kendinden beklenen özellikleri sağlamaları için uygulamalarda kullanılan cisimlere malzeme adı verilmektedir. Bu cisimler elementlerden oluşurlar. Elementler ise kimyasal olarak daha fazla bölünemeyen veya ayrışamayan en basit maddeler (atomlar) olarak tanımlanmaktadır. Malzemeler tek bir element atomlarından (saf) oluşabileceği gibi birden fazla elementin atomlarının bir araya gelmesiyle de (alaşım, bileşik vb.) oluşabilir. Makine Mühendisliği uygulamalarında kullanılan ana malzemeler: Metaller (Demir, çelik, alüminyum, bakır, titanyum vb.) Seramikler (Camlar, deniz tuzu, tuğla, kiremit, Alümina, Sialon) Polimerler (plastikler, naylon, teflon, polyester, lastik vb.) Bunların yanı sıra iki veya daha fazla ana malzemenin bir araya getirilerek geliştirilmiş kompozit (karma) malzemeler (CTP, karbon takviyeli epoksi, otomobil lastiği vb.) bulunmaktadır.

i. Kuvvetli Bağlar (enerji sırasına göre): İyonik (Elektron transferi) Malzemeleri oluşturan atomları bir arada tutabilmek için atomsal bağlara ihtiyaç vardır. i. Kuvvetli Bağlar (enerji sırasına göre): İyonik (Elektron transferi) Kovalent (Valans elektronunu ortak kullanma) Metalsel (Valans elektronlarının bulut etkisi) ii. İkincil veya Zayıf Bağ: Van der Waals (molekül zincirlerindeki yük farkı) Kovalent Yarı iletkenler Polimerler Metalsel İkincil Metaller İyonik Camlar ve Seramikler

Katı malzemelerde atomlar: Düzenli (Kristal-Sıralı ve 3D Düzende) veya Düzensiz (Amorf-Rastgele konumlanmış) Yapılarda bulunurlar. Örneğin metaller ve bazı seramikler kristal yapıya sahipken camlar (bir tür seramik) ve polimer malzemeler amorf yapıya sahiptirler. Malzeme Biliminde Sıkça Kullanılan Bazı Önemli Kavramlar: Alaşım: Metal elemente ilave edilen metal ve/veya ametal elementlerin oluşturduğu malzemeler (Bronz; Cu-Sn alaşımı) Bileşik: İki veya daha fazla element atomunun bir arada bulunduğu malzemeler (NaCl, MgO vb.), Karışım: İki veya daha fazla maddenin mekanik etkiyle bir arada bulunduğu malzemeler (kompozitler vb.)

Özgül Ağırlık: Cismin birim hacımdaki ağırlığıdır. Ergime: Katı halden sıvı hale geçmeye ergime denir. Katı haldeki bağların kopmasıyla gerçekleşir. Yüksek bağ enerjili malzemelerde ergime geç olur. Isıl Genleşme: Malzemelerin sıcaklık değişimiyle beraber boylarının uzaması veya kısalmasıdır. Yüksek bağ enerjili malzemelerde ısıl genleşme daha düşüktür. Dayanım: Malzemelerin kopmaya karşı gösterdikleri dirençtir. Bağ kuvveti belirleyicidir. Süneklik: Malzemelerin kırılmadan plastik (kalıcı) şekil alabilme kabiliyetidir. Tokluk: Malzemelerin ani ve gevrek kırılmaya karşı gösterdikleri dirençtir.

Elastiklik Modülü: Malzemelerin elastik zorlanma altındaki uzayabilme özelliğidir. (Lastik çok düşük, metal yüksek) Elektrik İletkenliği: Malzemelerin bir elektriksel alan etkisinde elektron hareketlerini yapabilme kabiliyetidir. Yapıda serbest elektron bulunması gereklidir. (Metallerde iyi,seramikler de kötü-yalıtkanlık) Isıl İletkenlik: Isıl enerjinin malzemelerde serbest elektron hareketi ve atomların ısıl titreşimleri ile iletilmesidir. (Metallerde iyi,seramikler de kötü-yalıtkanlık) Korozyon: Malzemelerin kimyasal ortamdan etkilenerek yitirilmesidir. Elektron alış-verişi ile gerçekleşir. (Korozyon direnci Metallerde kötü, seramik ve polimerlerde iyi) Optik Özellikler: Işığı geçirme kabiliyeti. Opak olmayanlarda iyidir.

METALLER Malzeme Örnekleri Belirgin Özellikleri Özelliklerin Nedeni Dökme demir, çelik, pirinç, bronz, Al-alaşımları, Ti Alaşımları, vb. Yüksek elektrik ve ısıl iletkenlik Hareketli serbest elektronlar Düşük korozyon direnci Elektron verme eğilimleri Yüksek Süneklik Serbest elektron bulutu Yüksek yoğunluk Atomların sıkı paketlenmesi Yüksek ergime sıcaklığı Yüksek bağ enerjisi Işığı yansıtma (veya geçirmeme) Elektron bulutu engeli

SERAMİKLER Malzeme Örnekleri Belirgin Özellikleri Özelliklerin Nedeni Camlar, Kiremit, Lavabo, Alümina (Al2O3) NaCl, KCl, MgO, Sialon, vb. Yüksek sertlik ve kırılganlık Kuvvetli ve rijit atomsal bağlar Yüksek korozyon direnci Elektron alış verişi olmaması Düşük elektrik ve ısıl iletkenlik Serbest elektron hareketi olmayışı Yüksek ergime sıcaklığı Bağ enerjilerinin yüksek olması Düşük yoğunluk Ametal elementlerin hafif olması

POLİMERLER Malzeme Örnekleri Belirgin Özellikleri Özelliklerin Nedeni Plastikler, PVC, Naylon, Teflon, Epoksi, Polyester, Kauçuk, Lastik vb. Düşük elektrik ve ısıl iletkenlik Serbest elektron hareketi olmaması Yüksek korozyon direnci Elektron alış verişinin olmaması Düşük ergime sıcaklığı Bağ enerjisinin düşük olması Düşük yoğunluk Amorf yapı dolayısıyla sıkı olmayan paketlenme Bazılarında düşük dayanım ve yüksek süneklik Molekül zincirlerinin viskoz akış özelliği

Makine ve İmalat Mühendisliği Uygulamalarında Dikkate Alınması Gereken Bazı Önemli Malzeme Özellikleri   1. Çekme Özellikleri (dayanımı, süneklik, şekillendirilebilme) 2. Sertlik Özellikleri (Bir nevi dayanım) 3. Darbe Özellikleri (Ani yüklemelerdeki davranış) 4. Kırılma Özellikleri (Çatlak veya bir süreksizlik içermesi durumunda ani kırılmaya olan eğilim, tokluk) 5. Yorulma Özellikleri (Tekrarlı zorlamalar altındaki davranış) 6. Sürünme ve Gevşeme Özellikleri (Yüksek sıcaklıklardaki davranış) 7. Aşınma Özellikleri (Sürtünmede aşınma davranışı) 8. Korozyon Özellikleri (Korozif ortamda davranış) 9. Özgül Ağırlık (Hafiflik, özgül dayanım) ________________________________________ 10. (FİYAT, BULUNABİLİRLİK ????)

Malzeme Bilgisi konusuyla makine ve imalat mühendisleri iki aşamada ilgilenir: a. Tasarım aşamasında uygun malzeme seçmede, b. Tasarlanan ürünlerin imalatı aşamasında.   Mekanik Tasarımda Ana Yaklaşım: Parçanın hangi şartlarda, nasıl bir zorlanma altında kalacağı sayısal olarak belirlenir. (Gerilme, sıcaklık, tekrarlı zorlanma, darbeli zorlanma, korozif ortamda çalışma vb.) Seçilecek malzemenin aynı şartlar altında sağlayacağı özellikleri (bir anlamda dayanımı) ile karşılaştırma yapılır. 3. Zorlanma seviyesinin malzemenin o şartlardaki dayanımından daha düşük olması şartı aranır. 4. Gerekirse bunun sağlanması için tasarımda bazı geometrik değişiklikler yapılır ya da yapılabiliyorsa performans özelliği daha iyi olan bir diğer malzeme alternatifi aranır.

Sonuçta: Parçaya Uygulanan Zorlanma Miktarı < Malzemenin Aynı Zorlanmaya Karşı Dayanım Özelliği Şartı sağlanmalıdır. Örnek: Yorulma sırasında parçada oluşan tekrarlı gerilmenin malzemenin yorulma dayanımından daha düşük olması tasarım tarafından sağlandığında parçanın ileride yorulma hasarına uğramaması gerçekleştirilmiş olur. Literatürde, malzeme seçimine yardımcı olacak bir takım gereçler vardır. Bunların en önemlilerinden biri ASHBY tarafından geliştirilen “Malzeme Seçim Diyagramları”dır.

ASHBY “Dayanım-Yoğunluk” Malzeme Seçim Diyagramı

METALLER için detay SERAMİKLER için detay

ASHBY “Dayanım-Süneklik (Şekillendirilebilirlik)” Malzeme Seçim Diyagramı

ASHBY “Dayanım-Maliyet” Malzeme Seçim Diyagramı

Malzemelerin mekanik özellikleri sahip oldukları kimyasal bileşim ve içyapıya bağlı olarak değişir. Diğer bir deyişle içyapıyı istenen özelliklere sahip olacak şekilde değiştirebilmek endüstride kullanılan çoğu mühendislik malzemesi için mümkündür. Bu amaçla malzemelere bazı mekanik işlemler, termo-mekanik işlemler ve ısıl işlemler uygulanabilir. Sonuç olarak bu işlemleri bilen mühendisler malzemenin içyapısına bir anlamda hükmedebilirler ve istenilen özellikleri elde edebilirler. Örnek: Çelik yüksek sıcaklılara çıkarılıp hızla soğutulduğunda içyapı değişerek sert ve gevrek özelliklere sahip olması, aynı şekilde sertleştirilmiş bir çeliğin yüksek sıcaklıkta tavlanıp yavaş soğutulduğunda içyapının değişerek yumuşak ve sünek özellik kazanması…

Makine+İmalat Mühendisliği – Malzeme Bilgisi - İmalat Bilgisi Dolayısıyla imalat aşamasındaki ve sonrasındaki malzeme özellikleriyle oynayabilmek ve amacımıza uygun olarak değiştirebilmek bir imalat mühendisinin veya makine mühendisinin en önemli uğraşlarından birisidir. Çünkü ulusal istatistikler makine mühendislerinin en az YARISININ sanayide imalat işleriyle uğraştığını ortaya koymaktadır!!! Makine+İmalat Mühendisliği – Malzeme Bilgisi - İmalat Bilgisi ilişkisine Otomobil Gövdesinin Tasarım ve İmalatından Bir örnek;

Performans Fiyat Oranı Dayanım/ağırlık oranı? Şekillendirilebilme? Çarpışma dayanımı? Maliyet? Performans Fiyat Oranı A) Kimyasal Bileşim? Fe-Esaslı? Al-Esaslı? Hangi alaşım elementi? C) İşleme ve Birleştirme (İMALAT) Hangi çelik imalat yöntemi? Hangi şekillendirme yöntemleri? Hangi birleştirme ve bitirme İşlemleri? B) Mikroyapı (İçyapı) Süneklik ve dayanım için hangi yapı? Hangi dayanım arttırıcı mekanizma? Isıl işlem? Otomobil Şasisi için Malzeme ve İmalat Yöntemi Seçimi

Teknolojik Açıdan İmalat: İMALAT (manufacturing) kelimesi Latince manus (el) ve factus (yapım) kelimelerinden türemiştir. Kısaca tasarlanan bir objeyi nesnel olarak meydana getirme, bir anlamda yaratma, ortaya koyma işlemidir. Teknolojik Açıdan İmalat: Malzemelerin geometrisini, özelliklerini ve görünüşünü değiştirerek parça ve ürün elde edebilmek için fiziksel ve kimyasal yöntemlerden yararlanmaktır. İmalat montaj sürecini de kapsar ve birbirini takip eden ardışık operasyonları içerir. Diğer Girdiler

Ekonomik açıdan imalat: Şeklini ve özelliklerini değiştirerek malzemelere artı değer katmak olarak tanımlanır.

İmalat Yöntemlerini seçme ve uygulama aşamasında ciddi malzeme bilgisine ihtiyaç var (özellikle “bileşim-iç yapı-özellik” ilişkilerini yorumlayabilme açısından)… Malzemelerin Önemli İmalat Özellikleri: Dayanım, Sertlik Şekillendirilebilirlik, süneklik Kaynakla Birleştirme Kabiliyeti İşlenebilirlik (talaş kaldırma kabiliyeti), kesme dayanımı Dökülebilirlik, ergime sıcaklığı, Akışkanlık Isıl iletkenlik, ısıl şoka karşı dayanım Kimyasal Bileşim, korozyon Elektriksel ve Kimyasal Özellikler… İMALAT YÖNTEMLERİ???

Makine Mühendisliği öğrencilerinin Tasarım ve İmalat Sorunlarını çözmek için ihtiyaç duyacağı malzeme bilgileri: MAL 201 Malzeme Bilgisi MAK214E Engineering Materials MAK 351 İmal Usulleri ve 4. Sınıfta alacağı seçim dersleri (örneğin MAK 358 Malzeme Seçimi gibi) ile kazanılacak…

İmalat Mühendisliği öğrencilerinin Tasarım ve özellikle İmalat aşamasında Karşılaşacağı sorunlarını çözmek için ihtiyaç duyacağı malzeme bilgileri: MAL 201 Malzeme Bilgisi İML 213E Manufacturing Properties of Materials İML 212 ve 313 İmal Usulleri ve 4. Sınıfta alacağı seçim dersleri (örneğin İML 466 Kompozit Malzeme Teknolojisi gibi) ile kazanılacak…

Makine Fakültesindeki Eğitim/Öğretim Hayatınızda Başarılar… Sorunuz???